固态电池更安全吗？更值得期待吗？

撰文 / 周洲 张南

编辑 / 黄大路

设计 / 师 超

一个硫化物全固态锂离子电池包放到了河边，一位动力电池研究人员拿出一根尖尖的铁棒，小心翼翼地杵了下去，瞬间，电池包冒烟，迅速燃烧起来。观看人群在惊吓中退后好几步，大家开始捂起鼻子，燃烧产生的有毒气体硫化氢散发出强烈的臭鸡蛋味。

汽车商业评论记者看到这一幕后，内心升起了强烈的怀疑。在实现全固态电池的聚合物、氧化物、硫化物三条技术路线中，硫化物固体电解质由于拥有最高的锂离子电导率和良好的机械性能而成为最有潜力的技术方向之一，被视作终结液态锂电池安全和续航里程不能两全其美的“完美”解决方案。

现在，这种被认为是电动汽车未来动力方向，被业界追捧为更高能力密度更加安全的全固态电池真的是值得大力投资的方向吗？

一篇重要的论文

2022年4月，以阿列克斯·贝茨（Alex M. Bates）和于利亚·普莱格（ Yuliya Preger）为并列第一作者的六位锂电科研人员在《科学》（Science）杂志上发表了一篇名为《固态电池比（液态）锂电池更安全吗》的论文，尤其讨论了锂金属作为负极、LLZO（锂镧锆氧粉末，属于氧化物）固态电解质的固态电池的安全性。

该论文探讨了三种热失控场景下，液态锂电池、带有一定量电解液的半固态电池、全固态电池的热释放和温升上限。

在外部加热导致的热失控状态下（不考虑固态电解质隔膜故障），全固态电池的热失控表现优于半固态和液态锂电池。由于全固态电池的固态电解质密度高，形成一个有效的气体屏障，可以防止负极锂和正极释放的氧气之间的接触。在这种假设情景下，不会有明显的热量释放。

半固态电池中，液体电解液存在于正极的孔隙中，可以在催化高温下正极释放出氧气。氧气通过与液体电解液反应而被消耗，导致热量释放，并产生二氧化碳和水蒸气。其中的固态电解质可以阻止气体与锂金属负极接触。

液态锂离子电池中，由于液体电解液存在于正极、隔膜和负极的孔隙中，在高温下释放的氧气通过与液体电解液的反应而被消耗掉，未反应的液体电解液与负极反应。

实验结果表明，如果固态电解质可以有效隔绝正负极，即使在高温下，全固态电池没有释放热量；液态锂电池则是半固态电池热量释放的两倍。这是在属于碰撞、高温等外部加热造成的热失控场景中，全固态电池不会经历由于放热反应而导致温度上升，具备更安全的优势。

不过，在枝晶穿透电解质而导致短路故障和固态电解质发生故障的场景中，全固态电池和半固态电池的安全性并不比液态锂电池好。

在枝晶穿透电解质而导致的短路故障中，由于释放的热量取决于电池容量，如果固态电解质发生故障，正极侧的氧气到达负极的金属锂，那么全固态电池将释放巨大的热量，这种状况下，全固态电池和液态锂电池在第一种外部加热热失控场景中造成的升温差不多。

根据该论文，由于热失控的方式不同，全固态、半固态电池释放的热量，并不一定就比液态锂电池更少。尤其是随着能量密度的增加，在锂枝晶穿透电解质导致的短路故障场景下，半固态电池和全固态电池的潜在温升超过了液态锂电池，表明在这种情景下，半固态电池和全固态电池的安全性可能低于液态锂电池。随着固态电解质变得更薄，防止内部短路和隔膜故障对安全来说，比减少液体电解液更重要。

文前所述的全固态电池燃烧就属于锂枝晶穿透电解质导致的短路故障，它的危险性让人不寒而栗。

武汉大学化学与分子科学学院教授艾新平认为，全固态电池能量密度高、安全性也好的说法，其实是偷换概念。它可能没有那么易燃，但是一旦出事故，硫化氢就出来了，不会烧死人但是会把人熏死。 针对汽车商业评论追问全固态电池也会爆炸燃烧的提问，他做出了肯定的回答。

成本是另一大痛点

成本高昂是全固态电池的另外一大痛点，这主要受限于两点，第一是原材料的成本问题，例如锂硫化物的价格是碳酸锂的5-10倍左右；第二则是全固态电池对于生产环境与原材料纯度的要求极高，导致对于生产设备的投资较高。

汽车商业评论了解到，现在中国实验用的硫化物电解质1克价格达到了30元。有预计认为全固态电池的成本至少是锂离子电池的两倍。这对于本就寻求进一步降低成本的电动汽车而言，这几乎是背道而驰。

此外，氧化物基与硫化物基电解质均为易碎陶瓷材料，批量生产大尺寸的电解质薄膜可能存在困难，因此，全固态电池的量产初期或只能小规模生产，用于一些对于成本容忍度更高的领域。

蜂巢能源高级副总裁、技术中心主任张放南表示，固态电池并不是绝对的安全，只是在高能量密度的材料体系下把安全性能的指标进一步得到提升，在功率性能、循环上仍然面临着巨大的挑战。而且，固态电池从电解质材料、结构、制成工艺需要全方位的技术升级，在材料开发、膜制备、电芯制造、系统设计、回收利用方面均存在较大挑战。

材料开发硫化锂原材料成本过高，高离子电导的硫化物电解质在空气稳定性差，批量一致性差，电解质与界面的副反应比较多。

在膜制备上，硫化物电解质膜的强度比较差，同时与现有的黏结剂和涂布工艺存在很大差异；电芯制造对叠片的精度和设备融合度相对比较差，需要外部加热加压的功能进一步提升。

同时，回收利用方面，由于氧化物固态电解质容易产生有毒的硫化氢气体，在回收利用方面需要进行重新研究。

中国科学院院士孙世刚称，高能量固态电池，锂金属目前是电位数最低的、能量密度最高，它的一个问题是锂枝晶的生长，还有固固界面兼容性差、离子传输阻力大，导致电池动力性能差。

“高比容量的电极，在高压下也是不稳定的，像三元、高镍、富锂，高电压都会导致电极材料的衰减。这些问题不解决，我们要发展高能量密度的固态电池都会面临着新的挑战的问题。”孙世刚说。

目前，业界采用半固态电解质的方法解决间隙问题，形成稳定界面。

2023年11月，在首届世界新汽车技术合作生态展（WNAT-CES 2023）期间举行的2023中国汽车供应链峰会就“全固态，动力电池迎来里程碑时刻？”进行了热烈讨论。

零跑汽车副总裁、浙江凌骁能源总经理宋忆宁认为，全固态电池的导电介质是互不相容，从基本理论来讲，没有在自然界发现一个新的物质、没有一个比较好的物质作传导、没有成熟的工艺、没有一个低成本的方案来实现，它的规模化很难。

重庆深蓝汽车电池集成开发技术总监喻成称，固态电池的整个产业链，工艺继承性跟液态电池比，影响很大的，可能只有不到50%可以借用现在这些生产设备的工艺，这一块的话，相对于原来（的产线和工艺会）发生一个很大的颠覆。

江西安驰新能源科技有限公司总经理徐小明称：“硫化物本身对环境的苛刻要求、本身的毒性、本身大规模量产时的成本、质量，我个人不是太看好全固态，而且我认为（量产）可能比2030年还要长。”

巨湾技研管理中心销售总监朱科衡则认为，固态电池的技术进步了，磷酸铁锂的电池也在进步，三元锂也在进步，它的安全性、结构、材料，它的各种性能都在进步。“不能小看了科技的进步，同时一个产品能够全面地商业化才是真正的成功。”他说。

正视隐患

2024年3月的一个论坛上，中国工程院院士、清华大学教授欧阳明高在回答“关于新能源汽车电池安全性的质疑”时，引用国家消防救援局的一组汽车起火数据来证明新能源车比燃油车还要安全。根据他的计算，2023年一季度自燃车辆中燃油车的起火率为万分之0.58；新能源车的起火率为万分之0.44。

这个论断引发舆论强烈质疑。有人从他引用的数据中，至少存在三方面错误：起火数据年份错误，燃油车起火数据推算错误，燃油车保有量推算错误。

汽车商业评论从权威的北京理工大学新能源汽车国家监测与管理平台了解到，当下中国新能源汽车起火率大概比欧阳明高院士所计算的还小，大约为万分之0.34。这也就意味着，尽管欧阳明高数据收集和处理有失误之处，但不可否认现在的动力电池安全性要比以往高了很多。

原上汽集团原副总裁、总工程师，阳氢集团董事长程惊雷程在主持2023中国汽车供应链峰会关于固态电池的话题时说：“2014年我去找宁德时代的时候，那时候我们动力电池是7块钱一瓦时，而那个时候的电动汽车全社会保有量是26000辆，每年发生火烧事故1200起，所以那个时候，很多人认为电动汽车是一个不靠谱的东西，完全不靠谱的东西。到现在，大家看到，动力电池是7毛钱（每瓦时），保有量现在是1400万辆，每年火烧事故大概是1000多起。”

汽车商业评论认为，这意味着当下的动力电池，包括磷酸铁锂电池和三元电池，特别是前者，已经具有了相当的安全性，而且这个安全性还在进一步提升。

在这样的情形下，是否还需要并不比现在的动力电池安全、性能更好，甚至锂枝晶穿透电解质导致的短路故障导致爆炸更为凶猛的全固态电池？

丰田研发的固态电池▼

但是，显然整个学界对此没有全面的思考，反而开始贩卖全固态电池焦虑。

2024年1月22日，欧阳明高在“中国全固态电池产学研协同创新平台”成立大会暨中国全固态电池创新发展高峰论坛上发表讲话说：

“只有全固态电池需要我们联合起来攻关，也只有全固态是我们面对的威胁和挑战。我们（的电池产业）现在已经是全球领先了，我们不想被颠覆，但是因为全固态有这种颠覆性的潜力，我们还存在风险，（虽然）还不是现实。”

他在会上斩钉截铁地表示，全固态电池是公认的下一代电池的首选方案之一，被列入中国、美国、欧盟、日韩等主要国家的发展战略，也成为下一代电池技术竞争的关键制高点。他认为，全固态电池相较液态电池具备颠覆性的技术潜力，一是高安全性，二是高能量密度，三是高功率特性，四是温度适应性好，五是材料选择范围更广。

欧阳明高在那场论坛上说：“2030年左右全固态电池产业化突破的可能性极大，中国电池产业需要敲响警钟。”最近，他再次在回应质疑的论坛上预测,预计2030年左右,全固态电池技术有望实现产业化应用。

这让人想起一位不愿具名的动力电池科学家所说的，现在宣布在未来几年当中全固态电池会上车的，基本上都是忽悠。而另外一位不愿具名的全固态电池创业者则告诉汽车商业评论，他已经放弃全固态电池的研发，现在有人不愿意指出全固态电池安全性方面的极大隐患，更多还是希望能够得到更多的资金支持，好让自己得到重视，有活可干，“这可以说是一种学术腐败”。

或许，这只是一家之言，但还是值得我们深思。